基于区块链的装备研制技术状态管理

王聘 刘少伟

（1.海军装备部驻连云港地区军事代表室 江苏省连云港市 222061 2.江苏自动化研究所 江苏省连云港市 222061）

1 概述

1.1 背景

近年来，中国的军事安全面临极大挑战。在此背景下，我国加速优化武器装备规模结构，发展高质量、高性能的新型装备，淘汰老旧装备。随着军民融合战略的实施，民营企业参军门槛降低，武器装备的采购范围和规模不断扩大，系统内武器装备采购信息网注册用户已达2.7万余家，发布需求17万余条，企事业单位推荐优势产品和技术8000多项[1]。

武器装备研制单位一方面面临国家和军队对于武器装备的战略战术要求不断提升，另一方面面临行业内部大量其他军工单位的竞争，必须提升装备研制的效率和质量、降低成本，实施高效的技术状态管理是实现这一目标的必然选择。

区块链技术与密码学技术的深度结合也助于解决由于技术状态管理系统中信息网络化技术带来的一些安全隐患问题，为军方、承制方和装备产业链供应方加速采用先进数字化技术状态管理系统提供安全保障。区块链系统的层级化单位组织架构、严格的权限管理、数据的实时同步、不可篡改、可追溯等技术特点，与装备技术管理的总体要求相契合。

1.2 国内外研究现状

技术状态管理是美国二战（1939～1945年）中特别是二战后，在发展导弹核武器过程中发展起来的一门工程管理控制技术。技术状态管理是武器装备研制工程管理和质量管理的重要工具和手段，也是型号项目管理的核心。四十年代美国用于研制原子弹的曼哈顿计划[2]，五十年代研制的战略导弹阿特拉斯（atlas）及六十年代开始的阿波罗登月计划都运用了技术状态管理的方法[3]。

在不断探索和总结经验教训的基础上，美国、欧洲以及国际标准组织在过去五十年间，制定和发表了许多技术状态管理标准、方案和办法。20世纪90年代借鉴西方的相关标准，建立了国防军工的规范。1998年国防科工委发布了GJB3206-98《技术状态管理标准》，成为指导我国军工技术状态管理的统一规范。

随着信息技术的不断发展和装备研制工程的复杂性提高，对于技术状态的管理难度不断增大，信息化的要求越来越迫切，在此基础上产品数据管理（Product Data Management，PDM）系统的不断完善，极大地满足了技术状态管理的要求，提高了技术管理水平和研制效率。基于Windchill平台的数据管理已得到较为广泛的研究。

由于区块链具有去信任、去中心化、防篡改、数据可追溯、共识算法、智能合约等特征，其在军事领域的研究既具有迫切的必要性,又具有广阔的应用前景。美军高度重视区块链技术在美军装备研制与使用过程中的变革性作用，从2015年开始，美国国防部高级研究计划局和美军各军种研究机构支持了一系列基于区块链技术的创新研究[4]，主要应用于装备供应链管理和装备采办管理、军事网络基础设施安全、军事数据共享与指挥控制系统的安全增强和跨域协同作战等领域。

1.3 研究内容和意义

国内军工企业等主要的装备承制方在技术状态管理上存在以下问题：

1.3.1 信息化数字化技术运用普遍存在局部碎片化问题

我国军工企业在装备技术状态管理普遍存在应用PDM等数字化信息化技术局部碎片化问题，数据断点、数据墙问题突出，难以实现装备研制技术状态全生命周期的数据完整性管理。在部分数字化装备技术起步较晚的行业领域，在装备研制过程中纸质材料仍然是主要的信息传播媒介，且依赖人工完成大量的文件检查、汇总清理等工作，产生较多重复冗余的事务性工作，极大降低了装备研制效率。对于技术文件缺少统一管理，过于分散，信息共享不畅，个别人员的缺失就可能导致整个项目的停滞，对进度产生严重影响。1.3.2 标准执行不到位

技术状态管理的相关标准数量多、篇幅长、内容琐碎，在执行过程中缺少技术手段约束，导致标准的执行过于依赖个人的理解，大多数技术人员又缺乏对相关标准的深刻认识，实际操作中标准往往得不到严格执行，标准化审查也流于形式，这些隐患都可能在装备研制过程中产生严重后果，例如未经审核的技术状态临时变更可能导致实物与设计不一致，甚至关联产品失效，造成大量返工。

1.3.3 配套产品的技术状态控制弱

装备承制方对于供应商的产品技术状态控制弱，往往仅要求指标与接口，缺少对于配套产品技术状态的全面了解和掌控，这一现状可能影响装备的长期升级维护过程，导致响应时间变长。

军方等主要的装备研制的需求方和客户在技术状态管理中主要存在以下问题。

（1）缺少高效的监管手段。现行的技术状态管理过于依赖纸质文件和人工审核，存在较多的漏洞和不严谨之处，客户监管难度较大，无法充分、准确地掌握装备研制的进展情况，可能出现因小问题产生的滚雪球效应，最终影响装备的按时交付。

（2）缺少评价和问责体系。由于缺少装备研制过程的完整数据，难以建立系统化的评价体系，产品实物与技术状态的一致性、技术状态变更、任务完成的时效性等统计数据缺失，使得评价和追责等环节无法标准化。

针对上述问题，本文提出基于区块链的技术状态管理系统，设计了面向军工网络的联盟链架构及技术状态管理系统架构，并对技术状态管理信息化网络化和线上线下协同过程中的关键环节提出了解决方案。解决装备研制过程中，技术状态与数据管理在单位组织体系方面、标准与执行方面、信息交互方面、监督与追溯方面的实施难点，提升技术状态及数据管理的信息化数字化程度，为武器装备研制系统工程管理提供有力的保障。

2 系统架构

本文提出的技术状态管理系统以联盟链架构为基础，充分考虑现阶段军工企业网络化建设状况，以及装备研制过程各阶段的不同特点，部分产品存在的跨单位、跨部门研制情况，设计了一个涵盖所有相关单位的区块链网络基础设施，并通过区块链底层技术保证各单位组织间的协作关系和权限划分。

军工企业内部出于保密需求，一般建设与外部互联网隔离的专网。国内军工企业以大型集团央企为主，其网络架构中包括多家集团下属单位，各下属单位在专网建设中物理层面具有连接，但信息只能有条件的交换，且需人工审核。

针对上述国内军工企业网络建设现状，本文提出了分层的军工联盟链架构，并在此之上设计技术状态管理信息系统。在分层联盟链网络架构中，各合作单位分属不同的子链，并与总体单位区块链互相连通。各子网内部建立独立的区块链，执行独立的共识流程，维护子网内部的交易事务、数据、成员信息等，如图1所示。

图1：分层军工联盟链架构示意图

该分层的区块链架构方案还将满足各区块链子网的差异化需求，方案采取高度模块化设计，共识算法、成员管理、密码学、网络协议等模块均可插拔，支持子区块链网络根据性能需求、容错需求、安全需求等自定义配置相关参数。降低子链间的耦合程度，使系统整体具备更强的横向扩展能力，可通过增加软硬件资源的方式，承载更多的请求。此外，一网多链的架构更有利于不同子链间的数据隐私，不同集群拥有相对独立的数据空间，通过合理的中继设计，实现安全高效的跨链访问。

技术状态管理系统包含一组应用程序、工具和数据库，用于收集、存储、管理、更新和呈现有关所有技术状态项及其关系的数据，包括端到端服务配置的视图。其中一些应用包含必要的需求解决方案，例如版本控制、发布工具和自动发现工具。系统的逻辑层级架构如图 2所示。

图2：系统层级架构示意图

技术状态管理系统建立在操作系统、网络环境和分布式数据库的基础上。对象管理框架是系统的核心模块，它的重要性一方面在于对象管理柜架集中管理了系统中的全部信息实体，另一方面对象管理框架是整个系统信息建模思想的具体体现。所有涉及的实体，人员、数据、过程以及实体之间的关系最终是以对的形式由对象管理框架统一管理。对象管理框架为整个系统管理的基石。建立在对象管理框架之上的是系统的各种功能框架，包括产品结构管理、技术状态管理、集成工具、工作流管理等。软件体系结构如图 3所示。

图3：软件体系架构图

本文提出的技术状态管理系统构建于区块链网络之上，因此不同于传统的软件体系架构，中间增加区块链网关层，用于处理系统和区块链的交互请求，网关层根据系统的实际管理对象对应的区块链网络结构，运行一个或多个节点实例，并向系统的功能层提供区块链通信接口与智能合约接口。

3 基于区块链的信息化技术状态管理技术

本章主要介绍技术状态管理系统在信息化建设中，主要流程和关键环节的数字化解决方案。

3.1 技术状态文件的数字化版本管理

传统的线下实物文件存储与管理方式在装备研制系统中普遍存在，然而，由于实物化方式占用空间大、不利于及时收集与整理，容易导致文件遗失，查询检索困难。因此，考虑到技术状态文件的多样性，系统将引入分布式版本控制系统，与区块链技术结合，帮助装备技术研发过程中的多个参与单位（总体单位、承制单位、测评单位等）分布式镜像同步技术状态文件，而不是仅在需要时提取最新版文件快照。任意一个环节使用或修改文件时，最新的版本都将在各个节点克隆备份一次，以保证技术状态文件的统一性。

除针对技术状态纸质版文件的数字化管理，本文还设计了技术状态文件管理流程的数字化，实现高效信息化的技术状态文件创建、审批、综合审查、输出、查阅及销毁等全周期的管理，通过减少文件流转节点，简化文件配套方式，提高管理效率，降低维护资源成本。

在此基础上，为了让装备研制过程中所有单位的不同应用程序可以访问技术状态文件数据管理系统，系统融合产品数据管理（PDM）软件和区块链技术，使用软件在单个研制系统和全局系统中管理产品数据和流程相关信息。

3.2 技术状态文件完整性、一致性校验

本文提出利用链上链下协同与多重签名验签技术，完成链上轻量级存证与链下数据的一一映射，实现多单位、多机构之间的技术状态文件统一化管理，实现技术状态文件与技术状态变更数据的一致性、完整性验证。基于多重签名与密钥聚合算法，在技术状态变更（如提出偏离许可申请、让步申请）和工艺数据变更（实做状态偏离、工艺技术变更、增加额外工艺）时，实现多方数据同步与高效技术状态项审核。

3.3 技术状态数据记录与溯源

将技术变更涉及到的状态与工艺描述、技术研制的权属以及时间等基本信息记录在区块链上，依靠区块链提供的不可篡改的分布式数据库与映射关系，当技术状态审核过程中有任一方对装备产品本身或研制过程存疑时，可以通过查询数据来源和流转历史记录来判断数据的真实和有效性，实现技术状态变更的溯源与监管。具体来说，基于区块链的装备产品研制技术状态数据追溯覆盖产品定义、生产、修改、审核、验收全生命周期，为了实现可靠、有效的溯源，建立如下三个基本追溯元素：追溯实体、追溯标识、追溯单元。

在基本追溯元素的基础上，为了确保链上记录的技术状态数据的不可篡改性，同时提高数据查询和溯源的效率，将通过开发状态数据库、链上历史数据归档对链上数据进行有效管理。

3.4 基于数据纪实的装备研发质量评估与异常识别

从装备产品的性能指标与约束性条件出发，针对不同研制环节、研制系统建立多维度的产品研制任务评价理论与评估方法。考虑到研制过程中部门之间的合作差异化、数据来源的多样化，在指标体系的基础上，基于数据纪实设计灵活的任务分配与协同管理机制。

从产品定义阶段和研制阶段构建基于历史任务数据的评估模型，分析待执行任务的完成效率，构建稳健的动态任务分配过程，并引入时间节点管理模型与反馈优化机制，进一步保证协同管理过程中的高效与同步。具体来说，该任务分配协同管理体系包含如下几个组件：

3.4.1 基于历史任务的效率评估算法

对历史技术状态数据的聚合、预处理及精准评估等环节设计相应的计算方法是任务准备阶段首要的技术难点。结合区块链上存储数据的不可篡改、透明化等特点，设计三阶段的任务评估机制，首先利用匿名化技术擦除历史技术状态数据中的敏感信息；其次根据历史任务中的非敏感字段进行相关度排序，并根据相关度赋予对应权重；最后，对每个历史任务的完成状态进行分级（超前完成、如期完成、逾期完成、项目终止等）自动评分，根据权重计算最终的加权分数，通过上述三阶段操作构建完整的任务执行效率的评估方案。

3.4.2 动态任务与资源分配

现有分布式数据聚合方案往往需要引入第三方可信机构进行结果查验，共享数据安全性难保证，部署难度大。因此，本文提出高计算效率、扩展性强的安全数据聚合方法，适应实时动态任务分配，适应各类装备产品研制任务需求。通过拆解典型的动态资源分配的机理，结合研发任务需求及技术状态纪实数据采集硬件的资源配置进行任务与资源的合理划分，首先设计资源池及调度组件；其次针对装备研制场景下的所有参与单位，设计一种自适应的安全交互协议，收集各方当前承担的任务数量、负载状态、剩余资源等，进行最优方案预估。

3.4.3 异常节点实时监测与多级溯因

时间节点管理是目前最常见有效的任务监管方式，通过制定详细、标准、科学的时间管理指南，实现线上与线下任务协同监管。基于技术状态管理中阶段性记录的纪实数据，根据任务的整体安排进行一级阶段性划分，对于不同阶段再进行二级周期性划分。结合特定研发指标，构建多级指标体系并设计量化评估方法，在整个任务执行过程中，采用横纵双向的超时监测方法。即在横向上，利用同类型部门的执行效率进行对比参照，在纵向上，利用历史相似任务的执行效率进行对比参照，对于可能不满足进度要求的异常节点进行实时检测。

异常环节的定位溯因是实现“有责可循”的重要保障，根据区块链上记录的任务配置初始化数据，与任务执行过程中的各相关参与方，包括上游部门、下游部门与合作部门等进行关联与责任绑定。在溯因方法上，根据任务执行环节中的异常等级，各个任务参与方可以对链上记录数据进行不同权限的访问与记录回溯。通过整个任务生命周期中联系的实体（零部件、应用服务、测试手段等）更改来确定哪个轮数上的操作产生了异常影响。通过链上记录的过程迭代顺序从最终成品依次向前验证，查明问题来源的参与方。

4 总结

本文针对我国现阶段技术状态管理中存在的实际问题，在技术状态管理流程中引入区块链技术，提出了完整的网络化、信息化技术状态管理系统架构，并针对技术状态管理系统中文件版本管理、完整性一致性校验、数据纪实与溯源、质量评估与异常识别等关键环节提出了数字化解决方案。

本文成果可应用于军工企业在装备生产过程中的技术状态管理流程，实现对装备全生命周期的数据追踪，提升承制单位的研制生产效率、降低研发管理成本、丰富产品线，也可提升装备使用过程中维修升级响应的时效性，增强客户单位对装备的了解程度。相关技术可进一步推广至军民融合领域的产品数据管理系统中，提升我国在军民融合技术领域的创新能力。